本發明涉及智能傳感器技術領域，尤其涉及一種基于有限元板殼理論學習庫的機器人智能感知皮膚系統。

背景技術：

在由黃英，郭小輝，劉家俊，等人研究的《可拼接式全柔性電容觸覺陣列傳感器設計與實驗》中，提出了一種可用于機器人仿生皮膚的全柔性電容式觸覺傳感器，并設計成12×12正方形觸覺傳感陣列和正六邊形觸覺模塊兩種可拼接式陣列結構。以炭黑填充硅橡膠作為電容式觸覺傳感器的彈性電介質，聚酰亞胺為柔性基體，有機硅導電銀膠和金屬膜為上下兩柔性極板，共同構成壓力敏感單元。介紹了電容式柔性觸覺傳感器的工作原理、結構設計及兩種與之對應的電容觸覺陣列無線數據采集與處理系統。該得出的實驗結果表明，該全柔性電容式觸覺陣列傳感器及信號提取系統具有良好的穩定性與靈敏度，可用作人工皮膚實現全觸覺感知，但其所費成本較高并且占用較大的機器人內部空間，不利于后續的器人內部空間的其他用途開發需要。

在由李雷鳴,黃英,馬陽洋,等人研究的《用于壓/拉檢測的機器人皮膚柔/彈性傳感器陣列設計》中，提出一種可用于檢測機器人皮膚接觸壓力和拉伸特性的新型傳感器陣列。該傳感器陣列的彈性電極結構克服了傳統傳感器不可拉伸的缺點，實現了傳感器陣列的柔/彈性；陣列中設計了9個檢測壓力的傳感器單元和2個檢測拉伸的傳感器單元，通過傳感器結構設計和拉/壓干擾特性分析以及補償算法解決了拉伸和壓力同時測量時的干擾問題，并構建了求解壓力與拉伸的數學模型。該實驗結果表明：該傳感器陣列實現了對壓力和拉伸的同步檢測，可用于機器人柔性皮膚中關節等部位。然而眾所周知，導電橡膠的靈敏度較差，且容易受到電磁干擾。所以在將來需要以具有類似功能的材料來代替導電橡膠,必須有很強的抗干擾性、柔性、不易損壞及易恢復原狀等特點，并且易布置傳感器陣列，使其具備導電性。

技術實現要素：

鑒于此，本發明的目的是提供一種基于有限元板殼理論學習庫的機器人智能感知皮膚系統。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現的，基于有限元板殼理論學習庫的機器人智能感知皮膚系統，包括傳感模塊、有限元理論學習模塊和后處理模塊；在外界作用力作用于傳感模塊時，傳感模塊將采集到的數據傳遞到后處理模塊中，通過調用后處理模塊中的有限元理論學習模塊中的數據，模擬實現顯示外界作用力的位置及大小，達到智能感知皮膚效果。

進一步，所述傳感模塊包括機器人皮膚上原有的應變花和高斯積分點上貼的應變花，該高斯積分點上貼的應變花通過對機器人皮膚進行三邊形、四邊形單元的離散化獲得。

進一步，所述有限元理論學習庫模塊根據有限元方法仿真各種載荷下的主應變分布情況，并判斷主應力方向指向，將有限元仿真數據形成機器人皮膚載荷響應數據庫，并利用神經網絡方法對數據庫進行學習。

進一步，在所述神經網絡方法中，以通過有限元板殼理論獲得的皮膚的主應力、主應變及其方向作為學習樣本。

由于采用了上述技術方案，本發明具有如下的優點：

1、本發明采用稀疏節點離散化的貼片方式，直接將應變片位置貼于機器人皮膚上的離散節點(三角形貼法，四邊形貼法)上，大大減少貼片數量，從而降低成本。

2、本發明的學習庫數據并非來自實驗，而是通過有限元仿真進行學習，大大降低學習時間。

3、同時還基于板殼理論，通過應變花測點處主應變方向必共同指向力作用點方向，可以通過各應變花測出的主應變方向交點識別外部載荷作用點。

附圖說明

為了使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細描述，其中：

圖1為bp圖層結構；

圖2為單元類型圖；

圖3為主應力方向示意圖。

具體實施方法

以下將結合附圖，對本發明的優選實施例進行詳細的描述；應當理解，優選實施例僅為了說明本發明，而不是為了限制本發明的保護范圍。

如圖1所示，基于有限元板殼理論學習庫的機器人智能感知皮膚系統包括傳感模塊、有限元理論學習庫模塊、后處理模塊；在外界作用力作用于傳感模塊時，傳感模塊將采集到的數據傳遞到后處理模塊中，通過調用后處理模塊中的有限元理論學習模塊中的數據，模擬實現顯示外界作用力的位置及大小，達到智能感知皮膚效果。

在本發明中，所述傳感模塊包括機器人皮膚上原有的應變花和高斯積分點上貼的應變花，該高斯積分點上貼的應變花通過對機器人皮膚進行三邊形、四邊形單元的離散化獲得。

所述有限元理論學習庫模塊根據有限元方法仿真各種載荷下的主應變分布情況，并判斷主應力方向指向，將有限元仿真數據形成機器人皮膚載荷響應數據庫，并利用神經網絡方法對數據庫進行學習。

向機器人皮膚施加外界作用力，使應變花發生相應的變形，此時的外界作用力，不僅僅局限于一種，可以施加多個外界作用力，只要在有限元理論學習庫模塊中，利用數值方法和有限元軟件結合的方法，將輸出的結果由神經網絡算法提前訓練好，找出在各個情形下各個點位移與作用點之間相應的關系，形成對應的訓練樣本，就能識別相應作用點位置以及作用點的個數。

在傳感模塊中，應變片采用四邊形單元布局方式，然后在六邊形單元的高斯積分點在添加一個應變花共七個應變采集點。

通過讀取傳感模塊傳遞過來的數據，利用有限元理論學習庫模塊傳遞過來的訓練樣本，找到力作用點的位置及相應的應力云圖并與劃分區域相比較，實時還原出力的作用點，從而達到智能感知的效果。

所述劃分區域是根據需要而人為劃分的坐標點區域，用來控制外力作用點位置輸出的判斷區域，從而達到定點定區域的識別效果。

以上所述僅為本發明的優選實施例，并不用于限制本發明，顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和范圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬于本發明權利要求及其等同技術的范圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。

技術特征：

技術總結
本發明公開了一種基于有限元板殼理論學習庫的機器人智能感知皮膚系統，包括傳感模塊、有限元理論學習模塊和后處理模塊；在外界作用力作用于傳感模塊時，傳感模塊將采集到的數據傳遞到后處理模塊中，通過調用后處理模塊中的有限元理論學習模塊中的數據，模擬實現顯示外界作用力的位置及大小，達到智能感知皮膚效果。本發明采用稀疏節點離散化的貼片方式，直接將應變片位置貼于機器人皮膚上的離散節點(三角形貼法，四邊形貼法)上，大大減少貼片數量，從而降低成本。

技術研發人員：陳世嵬;李定玉;朱明暉;張源皓;黃宏志;陳偉
受保護的技術使用者：重慶科技學院
技術研發日：2017.05.27
技術公布日：2017.10.03